激光制导炸弹制导研究

来源:百度文库 编辑:超级军网 时间:2024/03/28 20:21:42

  摘 要 以某型激光制导航空炸弹为例,进行了三维动态数字仿真研究,文中建立了该型激光制导炸弹六自由度空间运动方程和双通道控制系统模型。通过仿真计算,得到了该弹的三维攻击区,并将三维动画技术应用于实时仿真系统的软件开发中。
  关键词 激光制导炸弹 三维数字仿真 攻击区
引 言
  激光制导炸弹是现代先进战斗机空对地攻击的重要手段之一,在以往的仿真中,常把激光制导炸弹的运动简化为某一特定平面(例如铅垂面)内的运动,然后对其进行研究,这和实际情况差别较大。
  为了使得激光制导炸弹在攻击过程中的运动更符合实际情况,本文建立了激光制导炸弹的六自由度空间运动模型和双通道控制系统仿真数模,对某些激光制导炸弹进行了三维动态数字仿真计算,并对激光制导炸弹的三维实时动画仿真软件的开发作了介绍。
  本文研究的激光制导炸弹采用鸭式气动布局,以速度追踪的导引规律实现激光半主动制导,导引头采用激光编解码技术,采用折叠式尾翼。全弹无滚转稳定机构,而靠弹的气动特性设计来保证其横滚稳定性;无投弹前初始捕获目标能力。
1 速度追踪制导原理
  激光制导炸弹导引头依靠万向支架与弹体相连,并由风标将其稳定在弹道风的方向,即弹的空速方向见图1。航弹在飞行过程中风标式位标器总是顺着气流方向,故导引头的光学系统轴和弹的飞行速度向量基本重合,误差信号ε是视线角q与弹道倾角θc的差值;其中θc通过风标头测出表示为θc′,则ε=q-θc′。
图1 速度追踪制导原理
  当ε=0或|ε|<Δ1(导引头盲区)时,接收到的目标激光像点落在探测器中心(盲区),即导引头光轴(弹的速度向量)指向目标,实现了速度追踪。
  当Δ1<|ε|<Δ2(导引头视场角)时,目标像点落在探测器灵敏区,由误差信号产生导引头控制电流,控制舵机驱动舵面偏转,产生法向过载,修正弹的实际飞行方向与理想弹道的偏差,使ε趋于零,实现速度跟踪(见图2)。
图2 速度追踪制导原理框图
2 激光制导炸弹六自由度空间运动方程
2.1 坐标系与坐标变换矩阵
  为将航弹空间运动的矢量方程变换成相应的标量方程,需定义一些坐标系,并进行坐标系之间矢量的坐标变换。为研究问题的方便,本文采用了地面坐标系OXYZ,弹体坐标系O1X1Y1Z1和弹道坐标系O2X2Y2Z2。
  地面坐标系OXYZ,原点O取在投弹时目标初始位置。Y轴垂直于水平面,向上为正;OX轴在地平面内,方向可任意取;OZ轴垂直于XOY平面,正向由右手定则确定。该坐标系与地球固连。
  弹体坐标系O1X1Y1Z1,原点O1取在弹体质心上。O1X1轴与弹体纵轴重合,指向头部为正;O1Y1轴在弹体纵向平面内,垂直于O1X1轴,指向上为正;O1Z1轴垂直于X1O1Y1平面,正向由右手定则确定。该坐标系与弹体固连,是动坐标系。
  弹道坐标系O2X2Y2Z2,原点O2取在航弹质心上。O2X2轴与航弹质心的速度矢量重合;O2Y2轴位于包含速度矢量V的铅垂面内,且垂直于O2X2轴,指向上为正;O2Z2轴垂直于X2O2Y2平面,正向由右手定则确定。该坐标系与航弹速度矢量固连,是动坐标系。
  弹道坐标系O2X2Y2Z2与地面坐标系OXYZ之间的转换矩阵为:
   (1)
  弹体坐标系o1x1y1z1与地面坐标系OXYZ之间的转换矩阵为:
  (2)
  弹道坐标系O1X1Y1Z1与弹体坐标系O1X1Y1Z1之间的转换矩阵为:
    (3)
  其中, θc:弹道倾角;Ψv:航向角;:弹体俯仰角;Ψ1:弹体偏航角;
γ1:弹体滚转角;α:攻角;β:侧滑角;  γv:速度倾斜角。
2.2 六自由度空间运动方程
  激光制导炸弹的空间运动方程组可根据理论力学中关于刚体的一般规律来建立。根据牛顿第二定律和动量矩定理以及坐标变换可得到如下的航弹六自由度空间运动方程:
  航弹质心运动的动力学方程:
     (4)
  航弹绕质心转动的动力学方程:
    (5)
  航弹质心运动的运动学方程:
    (6)
  航弹绕质心转动的运动学方程:
  (7)
  几何关系方程:
  (8)
  其中,  Fx,Fy,Fz分别为阻力,升力和侧向力:
m,G:激光制导炸弹质量和重力;
  v:航弹空速;
  Jx1,Jy1,Jz1:航弹相对于弹体坐标O1X1,O1Y1,O1Z1三个轴的转动惯量;
  Mx1,My1,Mz1:作用在航弹上的力对弹体坐标系O1X1,O1Y1,O1Z1三个轴的矩;
  ωx1,ωy1,ωz1:航弹相对于弹体坐标系O1X1,O1Y1,O1Z1三个轴的角速度。
  考虑到激光制导炸弹气动布局的轴对称特性,忽略弹的滚转,并假设γv=0,以及α、β为小角度,可得到如下简化航弹空间运动方程组:
  (9)
3 激光制导炸弹双通道控制系统数模
  激光制导炸弹控制系统是根据导引头获得的弹道偏差信号,产生控制电流,操纵舵机控制舵面偏转,产生修正力矩来修正弹道的。弹道偏差由俯仰偏差和方位偏差组成,因此控制系统也包括俯仰通道和偏航通道两个通道。俯仰通道控制升降舵对俯仰方向上的弹道偏差进行修正,偏航通道控制方向舵对方位方向上的弹道偏差进行修正。
  俯仰控制通道和偏航控制通道结构基本相同,都包括导引头,控制舱和舵机舱三个基本环节,所不同的是俯仰控制通道要考虑对重力的补偿作用。
3.1 风标头
  风标头的作用是测量航弹速度向量与目标视线之间的夹角,形成误差信号ε。风标头环节可简化为如下形式,图3所示为俯仰通道(偏航通道与此相似)。
图3 风标头环节图
3.2 控制舱
  控制舱完成对风标头产生的误差信号采样和转换,并形成控制舵机舱针阀活门开启程度的电信号。其环节图如图4。
图4 控制舱环节图
3.3 舵机
  本文研究的激光制导炸弹舵机采用继电式燃气舵机,其环节图可简化为图5形式。
图5 舵机环节图
4 三维动态仿真软件
4.1 软件内容
  激光制导炸弹三维动态仿真软件使用了VisualC++5.0语言进行开发,用户界面采用了标准的Win95界面,具有很好的人机交互性。软件的开始调用一段飞机挂弹起飞,执行攻击任务和返场着陆的三维动画作为封面;通过用户界面可以选择仿真结果浏览和三维实时动画的仿真演示;还可通过帮助菜单得到软件使用的帮助信息和激光制导炸弹三维动态仿真系统的介绍。

图6 激光制导炸弹双通道控制系统方块图
图7 三维动态仿真软件组成图
4.2 仿真结果浏览
  系统动态仿真结果均以三维物体模型的形式保存,可在软件的3D浏览器中浏览。激光制导炸弹攻击区包络的三维模型是经过对系统的三维动态仿真计算得到一组攻击区边界点,再用三次插值样条函数进行曲线拟合和放样得到的。弹道曲面模型是在三维动画仿真演示过程中记录下来的,是由航弹空间飞行轨迹和其在地面的投影曲线所确定的三维空间曲面模型。模型可分为无控飞行段(导行头截获目标前)和可控飞行段(截获目标后),以不同的颜色来区别。图8~11是对应载机不同水平投弹速度的三维攻击区包络。
图8 三维攻击区包络图V=200m/s
图9 三维攻击区包络图V=250m/s
图10 三维攻击区包络图V=280m/s
图11 三维攻击区包络图V=300m/s
4.3 激光制导炸弹三维实时动画仿真演示程序
4.3.1 演示方案
  本文在激光制导炸弹攻击过程的三维实时动画演示程序的开发上采用了两种方案。方案一是基于真实感场景的开发,演示中除了有投弹飞机,目标和激光制导炸弹等基本物体外,还着重进行了真实感较强的地面、天空等背景的开发设计;方案二是基于坐标系的开发,这种方案侧重于观察航弹的空间飞行轨迹和飞行姿态,以及在双通道导引控制系统的控制下,升降舵和方向舵的动作。
4.3.2 三维动画演示中的3D加速
  本文在三维动画演示程序中采用了实时的程序建模动画,仿真的每幅画面都是在演示时通过程序建模实时产生的。该方法具有很好的人机交互性,但需要解决动画系统的速度问题。我们知道,产生一幅真实感很强的三维场景画面需要完成坐标放射变换,物体光照模型,曲面消隐,明暗处理和反混淆等大量计算,若要同时达到动画演示的实时性,单靠优化程序是难以做到的,文中采取了软件计算和硬件加速相结合的办法,取得了较好的效果。
  本文在对软件开发的硬件支持方面采用了WinFsats600DX显卡,对三维动画演示系统进行了3D加速,并用VisualC++5.0的Direct3DSDK软件包对该显卡的3D加速功能进行了开发,改善了三维动画演示系统的实时性。
4.3.3 程序流程图(见图12)


图12 激光制导炸弹三维实时动画仿真程序流程图

  摘 要 以某型激光制导航空炸弹为例,进行了三维动态数字仿真研究,文中建立了该型激光制导炸弹六自由度空间运动方程和双通道控制系统模型。通过仿真计算,得到了该弹的三维攻击区,并将三维动画技术应用于实时仿真系统的软件开发中。
  关键词 激光制导炸弹 三维数字仿真 攻击区
引 言  激光制导炸弹是现代先进战斗机空对地攻击的重要手段之一,在以往的仿真中,常把激光制导炸弹的运动简化为某一特定平面(例如铅垂面)内的运动,然后对其进行研究,这和实际情况差别较大。
  为了使得激光制导炸弹在攻击过程中的运动更符合实际情况,本文建立了激光制导炸弹的六自由度空间运动模型和双通道控制系统仿真数模,对某些激光制导炸弹进行了三维动态数字仿真计算,并对激光制导炸弹的三维实时动画仿真软件的开发作了介绍。
  本文研究的激光制导炸弹采用鸭式气动布局,以速度追踪的导引规律实现激光半主动制导,导引头采用激光编解码技术,采用折叠式尾翼。全弹无滚转稳定机构,而靠弹的气动特性设计来保证其横滚稳定性;无投弹前初始捕获目标能力。
1 速度追踪制导原理  激光制导炸弹导引头依靠万向支架与弹体相连,并由风标将其稳定在弹道风的方向,即弹的空速方向见图1。航弹在飞行过程中风标式位标器总是顺着气流方向,故导引头的光学系统轴和弹的飞行速度向量基本重合,误差信号ε是视线角q与弹道倾角θc的差值;其中θc通过风标头测出表示为θc′,则ε=q-θc′。图1 速度追踪制导原理  当ε=0或|ε|<Δ1(导引头盲区)时,接收到的目标激光像点落在探测器中心(盲区),即导引头光轴(弹的速度向量)指向目标,实现了速度追踪。
  当Δ1<|ε|<Δ2(导引头视场角)时,目标像点落在探测器灵敏区,由误差信号产生导引头控制电流,控制舵机驱动舵面偏转,产生法向过载,修正弹的实际飞行方向与理想弹道的偏差,使ε趋于零,实现速度跟踪(见图2)。
图2 速度追踪制导原理框图2 激光制导炸弹六自由度空间运动方程2.1 坐标系与坐标变换矩阵
  为将航弹空间运动的矢量方程变换成相应的标量方程,需定义一些坐标系,并进行坐标系之间矢量的坐标变换。为研究问题的方便,本文采用了地面坐标系OXYZ,弹体坐标系O1X1Y1Z1和弹道坐标系O2X2Y2Z2。
  地面坐标系OXYZ,原点O取在投弹时目标初始位置。Y轴垂直于水平面,向上为正;OX轴在地平面内,方向可任意取;OZ轴垂直于XOY平面,正向由右手定则确定。该坐标系与地球固连。
  弹体坐标系O1X1Y1Z1,原点O1取在弹体质心上。O1X1轴与弹体纵轴重合,指向头部为正;O1Y1轴在弹体纵向平面内,垂直于O1X1轴,指向上为正;O1Z1轴垂直于X1O1Y1平面,正向由右手定则确定。该坐标系与弹体固连,是动坐标系。
  弹道坐标系O2X2Y2Z2,原点O2取在航弹质心上。O2X2轴与航弹质心的速度矢量重合;O2Y2轴位于包含速度矢量V的铅垂面内,且垂直于O2X2轴,指向上为正;O2Z2轴垂直于X2O2Y2平面,正向由右手定则确定。该坐标系与航弹速度矢量固连,是动坐标系。
  弹道坐标系O2X2Y2Z2与地面坐标系OXYZ之间的转换矩阵为:
   (1)  弹体坐标系o1x1y1z1与地面坐标系OXYZ之间的转换矩阵为:  (2)  弹道坐标系O1X1Y1Z1与弹体坐标系O1X1Y1Z1之间的转换矩阵为:    (3)  其中, θc:弹道倾角;Ψv:航向角;:弹体俯仰角;Ψ1:弹体偏航角;
γ1:弹体滚转角;α:攻角;β:侧滑角;  γv:速度倾斜角。
2.2 六自由度空间运动方程
  激光制导炸弹的空间运动方程组可根据理论力学中关于刚体的一般规律来建立。根据牛顿第二定律和动量矩定理以及坐标变换可得到如下的航弹六自由度空间运动方程:
  航弹质心运动的动力学方程:
     (4)  航弹绕质心转动的动力学方程:    (5)  航弹质心运动的运动学方程:    (6)  航弹绕质心转动的运动学方程:  (7)  几何关系方程:  (8)  其中,  Fx,Fy,Fz分别为阻力,升力和侧向力:
m,G:激光制导炸弹质量和重力;
  v:航弹空速;
  Jx1,Jy1,Jz1:航弹相对于弹体坐标O1X1,O1Y1,O1Z1三个轴的转动惯量;
  Mx1,My1,Mz1:作用在航弹上的力对弹体坐标系O1X1,O1Y1,O1Z1三个轴的矩;
  ωx1,ωy1,ωz1:航弹相对于弹体坐标系O1X1,O1Y1,O1Z1三个轴的角速度。
  考虑到激光制导炸弹气动布局的轴对称特性,忽略弹的滚转,并假设γv=0,以及α、β为小角度,可得到如下简化航弹空间运动方程组:
  (9)3 激光制导炸弹双通道控制系统数模  激光制导炸弹控制系统是根据导引头获得的弹道偏差信号,产生控制电流,操纵舵机控制舵面偏转,产生修正力矩来修正弹道的。弹道偏差由俯仰偏差和方位偏差组成,因此控制系统也包括俯仰通道和偏航通道两个通道。俯仰通道控制升降舵对俯仰方向上的弹道偏差进行修正,偏航通道控制方向舵对方位方向上的弹道偏差进行修正。
  俯仰控制通道和偏航控制通道结构基本相同,都包括导引头,控制舱和舵机舱三个基本环节,所不同的是俯仰控制通道要考虑对重力的补偿作用。
3.1 风标头
  风标头的作用是测量航弹速度向量与目标视线之间的夹角,形成误差信号ε。风标头环节可简化为如下形式,图3所示为俯仰通道(偏航通道与此相似)。
图3 风标头环节图3.2 控制舱
  控制舱完成对风标头产生的误差信号采样和转换,并形成控制舵机舱针阀活门开启程度的电信号。其环节图如图4。
图4 控制舱环节图3.3 舵机
  本文研究的激光制导炸弹舵机采用继电式燃气舵机,其环节图可简化为图5形式。
图5 舵机环节图4 三维动态仿真软件4.1 软件内容
  激光制导炸弹三维动态仿真软件使用了VisualC++5.0语言进行开发,用户界面采用了标准的Win95界面,具有很好的人机交互性。软件的开始调用一段飞机挂弹起飞,执行攻击任务和返场着陆的三维动画作为封面;通过用户界面可以选择仿真结果浏览和三维实时动画的仿真演示;还可通过帮助菜单得到软件使用的帮助信息和激光制导炸弹三维动态仿真系统的介绍。

图6 激光制导炸弹双通道控制系统方块图图7 三维动态仿真软件组成图4.2 仿真结果浏览
  系统动态仿真结果均以三维物体模型的形式保存,可在软件的3D浏览器中浏览。激光制导炸弹攻击区包络的三维模型是经过对系统的三维动态仿真计算得到一组攻击区边界点,再用三次插值样条函数进行曲线拟合和放样得到的。弹道曲面模型是在三维动画仿真演示过程中记录下来的,是由航弹空间飞行轨迹和其在地面的投影曲线所确定的三维空间曲面模型。模型可分为无控飞行段(导行头截获目标前)和可控飞行段(截获目标后),以不同的颜色来区别。图8~11是对应载机不同水平投弹速度的三维攻击区包络。
图8 三维攻击区包络图V=200m/s图9 三维攻击区包络图V=250m/s图10 三维攻击区包络图V=280m/s图11 三维攻击区包络图V=300m/s4.3 激光制导炸弹三维实时动画仿真演示程序
4.3.1 演示方案
  本文在激光制导炸弹攻击过程的三维实时动画演示程序的开发上采用了两种方案。方案一是基于真实感场景的开发,演示中除了有投弹飞机,目标和激光制导炸弹等基本物体外,还着重进行了真实感较强的地面、天空等背景的开发设计;方案二是基于坐标系的开发,这种方案侧重于观察航弹的空间飞行轨迹和飞行姿态,以及在双通道导引控制系统的控制下,升降舵和方向舵的动作。
4.3.2 三维动画演示中的3D加速
  本文在三维动画演示程序中采用了实时的程序建模动画,仿真的每幅画面都是在演示时通过程序建模实时产生的。该方法具有很好的人机交互性,但需要解决动画系统的速度问题。我们知道,产生一幅真实感很强的三维场景画面需要完成坐标放射变换,物体光照模型,曲面消隐,明暗处理和反混淆等大量计算,若要同时达到动画演示的实时性,单靠优化程序是难以做到的,文中采取了软件计算和硬件加速相结合的办法,取得了较好的效果。
  本文在对软件开发的硬件支持方面采用了WinFsats600DX显卡,对三维动画演示系统进行了3D加速,并用VisualC++5.0的Direct3DSDK软件包对该显卡的3D加速功能进行了开发,改善了三维动画演示系统的实时性。
4.3.3 程序流程图(见图12)


图12 激光制导炸弹三维实时动画仿真程序流程图
这种内容在军事论坛上还是不要发为好,第一太老,激光制导炸弹对各国都是成熟技术,第二太深,军事论坛上的数学,应以一元积分和古典概率为限。:D
什么年代的文章啊,too too too old
这篇论文的长度貌似有些短,楼主没转载完吧